頁(yè)巖氣用滑溜水壓裂液體系的儲(chǔ)層傷害與生物毒性對(duì)比研究

柳志齊 (長(zhǎng)江大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 荊州 434023)

丁飛，張穎 (荊州市現(xiàn)代菲氏化工科技有限公司，湖北 荊州 434000)

吳軍 (非常規(guī)油氣湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心(長(zhǎng)江大學(xué))，湖北 武漢 430100)

余維初 (非常規(guī)油氣湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心(長(zhǎng)江大學(xué))，湖北武漢430100 長(zhǎng)江大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，湖北荊州434023)

頁(yè)巖氣是一種非常規(guī)油氣，其儲(chǔ)層具有低孔隙度、低滲透率、富含有機(jī)質(zhì)等特點(diǎn)[1，2]。我國(guó)頁(yè)巖油氣儲(chǔ)量豐富，開(kāi)采前景巨大，但是由于地層構(gòu)造運(yùn)動(dòng)復(fù)雜、埋藏較深、保存條件差等原因開(kāi)發(fā)難度較大。目前國(guó)內(nèi)頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)尚處于起步階段，核心技術(shù)不成熟，沒(méi)有實(shí)現(xiàn)工業(yè)開(kāi)采，想要提高頁(yè)巖氣的產(chǎn)量并進(jìn)行大規(guī)模開(kāi)采很困難[3～5]。隨著頁(yè)巖氣的勘探開(kāi)發(fā)技術(shù)的日益精進(jìn)，特別是水平井與水力壓裂技術(shù)的推廣與發(fā)展，讓頁(yè)巖氣的大規(guī)?？碧介_(kāi)發(fā)成為可能?；锼畨毫鸭夹g(shù)是在清水中添加微量添加劑(如減阻劑、黏土穩(wěn)定劑、表面活性劑等)作為壓裂液進(jìn)行儲(chǔ)層改造的一種壓裂技術(shù)[6～9]，減阻劑是壓裂液中的關(guān)鍵添加劑，常見(jiàn)的有粉末減阻劑、油基乳液減阻劑、水基乳液減阻劑3類(lèi)。納米復(fù)合類(lèi)減阻劑是一種水基乳液減阻劑，性能比普通水基乳液減阻劑更加優(yōu)越。

中國(guó)的頁(yè)巖氣產(chǎn)區(qū)主要位于水資源匱乏和人口密集地區(qū)，地質(zhì)條件復(fù)雜，對(duì)壓裂液的要求更高，不僅需要滿(mǎn)足施工要求，同時(shí)要滿(mǎn)足儲(chǔ)層保護(hù)和環(huán)境保護(hù)的需求。若水資源受到污染，不僅處理難度大、成本高，而且嚴(yán)重威脅到當(dāng)?shù)鼐用竦娜粘Ｉa(chǎn)和生活[10]。如果不采取科學(xué)有效的儲(chǔ)層保護(hù)和環(huán)境保護(hù)措施，盲目地追求一時(shí)的產(chǎn)量，這對(duì)頁(yè)巖儲(chǔ)層和環(huán)境而言都將是一場(chǎng)災(zāi)難，最終可能造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和環(huán)境污染。目前，國(guó)內(nèi)在選用壓裂液時(shí)關(guān)注的仍然僅是減阻性能，并未能有機(jī)地將其與儲(chǔ)層保護(hù)和環(huán)境保護(hù)相結(jié)合。因此，筆者針對(duì)國(guó)內(nèi)常用的粉末類(lèi)、油基乳液類(lèi)和納米復(fù)合類(lèi)減阻劑配制的滑溜水，在評(píng)價(jià)滑溜水的減阻性能的基礎(chǔ)上，開(kāi)展了儲(chǔ)層傷害和生物毒性方面的試驗(yàn)，以探索有效、系統(tǒng)評(píng)價(jià)滑溜水性能的方法，從而為現(xiàn)場(chǎng)選用壓裂液提供依據(jù)；同時(shí)，嘗試探尋可實(shí)現(xiàn)高效減阻、儲(chǔ)層保護(hù)和環(huán)境保護(hù)的滑溜水壓裂液。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)儀器與材料

1)試驗(yàn)儀器。JHTZ-1高溫高壓動(dòng)態(tài)減阻評(píng)價(jià)系統(tǒng)，如圖1所示；電子天平；DXY-3智能化生物毒性測(cè)試儀。

2)材料。1#、2#滑溜水壓裂液(由粉末類(lèi)減阻劑配制)； 3#、4#滑溜水壓裂液(由油基乳液類(lèi)減阻劑配制)；5#、6#滑溜水壓裂液(由納米復(fù)合類(lèi)減阻劑配制)；發(fā)光桿菌。

1.模擬管路Ga;2.模擬管路Gb;3.差壓傳感器ΔPa;4.差壓傳感器ΔPb;5.電動(dòng)閥VDa;6.電動(dòng)閥VDb;7.電動(dòng)閥VDc;8.流量計(jì)F;9.壓力傳感器P;10.循環(huán)泵;11.加熱罐;12.電動(dòng)閥VDd;13.加熱管;14.排氣閥;15.電動(dòng)閥VDe;16.溫度控制系統(tǒng)T;17.配料罐;18.攪拌電機(jī);19.數(shù)據(jù)采集器;20.計(jì)算機(jī)。圖1 JHJZ-I高溫高壓動(dòng)態(tài)減阻評(píng)價(jià)系統(tǒng)

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1減阻率試驗(yàn)方法

主要試驗(yàn)步驟如下：測(cè)定30L/min、10mm管徑室溫(25℃)下清水的摩阻；測(cè)定同樣條件下滑溜水壓裂液的摩阻；利用計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)計(jì)算出減阻率。

減阻劑的減阻性能具體表現(xiàn)為減阻劑溶液流速增大和摩阻壓降降低。當(dāng)輸送壓力不變時(shí)，減阻性能表現(xiàn)為溶液流速的增加；當(dāng)輸送的流速不變時(shí)，減阻性能表現(xiàn)為溶液摩阻壓降的降低。因此，可以用增輸率和減阻率這2個(gè)指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)減阻劑的減阻性能。目前國(guó)內(nèi)外大多使用減阻率作為減阻性能的指標(biāo)。減阻率可通過(guò)下式計(jì)算：

(1)

式中，F(xiàn)R表示減阻率，%；P0為清水的摩阻，kPa/m；P為添加減阻劑后滑溜水壓裂液的摩阻，kPa/m。減阻率越高，說(shuō)明滑溜水壓裂液的減阻性能越強(qiáng)。

1.2.2滲透率試驗(yàn)方法

目前關(guān)于滑溜水壓裂液對(duì)頁(yè)巖儲(chǔ)層的傷害方面的研究還不夠成熟，特別是評(píng)價(jià)方法和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)方面仍然處于探索階段，尚未形成標(biāo)準(zhǔn)的評(píng)價(jià)方法[11～14]。因此，筆者嘗試依據(jù)常規(guī)油氣儲(chǔ)層的評(píng)價(jià)方法進(jìn)行試驗(yàn)，即通過(guò)測(cè)試滑溜水壓裂液污染前后的滲透率進(jìn)行評(píng)價(jià)。

此外，天然頁(yè)巖巖心的滲透率極低，很難利用常規(guī)油氣儲(chǔ)的評(píng)價(jià)儀器進(jìn)行測(cè)試。但是頁(yè)巖儲(chǔ)層經(jīng)壓裂改造后的滲透率與人造巖心相似，因此可選用人造巖心進(jìn)行試驗(yàn)。為了得到滲透率恢復(fù)值，需要測(cè)試人造巖心的原始滲透率，然后測(cè)試不同滑溜水壓裂液傷害后的滲透率，通過(guò)公式計(jì)算得到滲透率恢復(fù)值，使用基質(zhì)滲透率恢復(fù)值表征巖心受傷害程度。主要試驗(yàn)步驟如下：測(cè)試巖心長(zhǎng)度、直徑、孔隙體積；將巖心放入夾持器中組合好裝置，調(diào)整進(jìn)口壓力并測(cè)氣體流速。通過(guò)滲透率公式計(jì)算巖心原始?xì)怏w滲透率，再測(cè)試不同壓裂液傷害后的巖心滲透率，通過(guò)公式計(jì)算巖心滲透率恢復(fù)值，具體測(cè)試方法參見(jiàn)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5336-2006和SY/T 6540-2002[15～17]。

巖心滲透率恢復(fù)值的計(jì)算公式如下：

(2)

式中，η為巖心滲透率恢復(fù)值，%；K為滲透率，mD；K1為污染前的巖心滲透率，mD；K2為污染后的巖心滲透率，mD；Q為流動(dòng)液體的體積流量，cm3/s；μ為流動(dòng)液體的黏度，mPa·s；L為巖心軸向長(zhǎng)度，cm；ΔP為巖心進(jìn)出口的壓差，MPa；A為巖心橫截面積，cm2。

1.2.3生物毒性試驗(yàn)方法

水質(zhì)檢測(cè)和評(píng)價(jià)的方法有很多，其中應(yīng)用最廣的是發(fā)光細(xì)菌法，該方法具有反應(yīng)快、靈敏度高、成本低等優(yōu)點(diǎn)[18～20]。試驗(yàn)中選用明亮發(fā)光桿菌為試驗(yàn)菌種，該菌種的發(fā)光能力源于細(xì)胞內(nèi)的發(fā)光要素ATP。當(dāng)細(xì)菌細(xì)胞活動(dòng)性高時(shí)，細(xì)胞內(nèi)ATP含量高，則細(xì)菌發(fā)光強(qiáng)度高；反之，則發(fā)光強(qiáng)度變?nèi)?，如與毒性物質(zhì)接觸。也就是說(shuō)，發(fā)光細(xì)菌的發(fā)光強(qiáng)度與滑溜水壓裂液的毒性呈正相關(guān)關(guān)系。因此，可根據(jù)發(fā)光細(xì)菌法評(píng)價(jià)滑溜水壓裂液的生物毒性。主要試驗(yàn)步驟如下：將DXY-3智能化生物毒性測(cè)試儀校準(zhǔn)調(diào)零并預(yù)熱15min，將試管排列好同時(shí)加入3% NaCl溶液及樣品溶液，復(fù)蘇發(fā)光菌，檢驗(yàn)發(fā)光菌是否復(fù)蘇，測(cè)試并讀數(shù)，具體測(cè)試方法參見(jiàn)標(biāo)準(zhǔn)Q/SY 111-2007[21]。

推算出相對(duì)發(fā)光度為50%時(shí)樣品的濃度EC50值(發(fā)光細(xì)菌發(fā)光能力減弱一半時(shí)樣品的濃度)，根據(jù)該值可將樣品的生物毒性進(jìn)行分級(jí)。相對(duì)發(fā)光度的計(jì)算公式為：

(3)

式中，E為相對(duì)發(fā)光度，%；E0，i為空白管的發(fā)光強(qiáng)度，mV；Ei為樣品管的發(fā)光強(qiáng)度，mV。

2 結(jié)果與討論

2.1 減阻性能

依據(jù)所添加減阻劑的類(lèi)型，將試驗(yàn)中選用的6種滑溜水壓裂液(1#、2#、3#、4#、5#、6#)進(jìn)行分類(lèi)。所添加減阻劑除了國(guó)內(nèi)常用的粉末類(lèi)(1#、2#)和油基乳液類(lèi)(3#、4#)外，還有新型的納米復(fù)合類(lèi)減阻劑(5#、6#)。每種類(lèi)型的減阻劑選取2種樣品進(jìn)行平行測(cè)試(研究中所提及的滑溜水壓裂液為這6種)。測(cè)試結(jié)果如表1所示，其中，滑溜水壓裂液配方中減阻劑的作用是減少壓裂液流動(dòng)時(shí)的摩擦系數(shù)，從而減少施工壓力，助排劑降低表面張力，黏土穩(wěn)定劑抑制黏土膨脹，所有配方中所用助排劑和黏土穩(wěn)定劑都相同，減阻劑各不相同。

表1 不同類(lèi)型滑溜水壓裂液的減阻率

注： 1#、2#配方為0.1%粉末減阻劑+0.1%助排劑+0.2%黏土穩(wěn)定劑；3#、4#配方為0.1%油基乳液減阻劑+0.1%助排劑+0.2%黏土穩(wěn)定劑；5#、6#配方為0.1%納米復(fù)合類(lèi)減阻劑+0.1%助排劑+0.2%黏土穩(wěn)定劑;下同。

表2 不同類(lèi)型滑溜水壓裂液的巖心滲透率恢復(fù)值

從表1可以看出，6種滑溜水壓裂液的減阻率都高于70%，都具有良好的減阻效果，但滑溜水壓裂液中的化學(xué)添加劑(如大分子聚合物)有可能造成儲(chǔ)層堵塞和水污染等問(wèn)題。另一方面，這6種滑溜水壓裂液是否無(wú)毒環(huán)保還未可知。因此，3種類(lèi)型減阻劑配制的滑溜水壓裂液的儲(chǔ)層傷害和環(huán)境污染程度如何還有待進(jìn)一步的研究。

2.2 儲(chǔ)層傷害評(píng)價(jià)

采用滲透率恢復(fù)值來(lái)表征儲(chǔ)層傷害程度，滲透率測(cè)試試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。由表2可以看出，1#～4#配方的滲透率恢復(fù)值很小，其原因是粉末類(lèi)減阻劑與油基乳液類(lèi)減阻劑的分子量大，分子粒徑大，不易通過(guò)孔喉直徑較小的裂縫通道，造成孔喉堵塞。另外，這2類(lèi)減阻劑配制的滑溜水壓裂液配伍性差，產(chǎn)生不溶絮凝物從而造成裂縫的堵塞，導(dǎo)致滲透率恢復(fù)值低，會(huì)對(duì)儲(chǔ)層造成嚴(yán)重的傷害，大幅降低頁(yè)巖氣井的開(kāi)采壽命。5#和6#配方滲透率恢復(fù)值很大，這是因?yàn)榧{米復(fù)合類(lèi)減阻劑分子粒徑小，是納米級(jí)別，能容易通過(guò)儲(chǔ)層中裂縫和喉道，同時(shí)配伍性好，不會(huì)產(chǎn)生不同絮凝物，不會(huì)對(duì)微裂縫造成堵塞，對(duì)儲(chǔ)層造成的傷害非常低，有利于儲(chǔ)層保護(hù)。因此，從儲(chǔ)層保護(hù)角度出發(fā)，1#～4#配方不適用于頁(yè)巖氣的開(kāi)發(fā)，5#和6#配方可廣泛應(yīng)用于頁(yè)巖氣的開(kāi)發(fā)。

2.3 生物毒性檢測(cè)

根據(jù)生物毒性分級(jí)及檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)Q/SY 111-2007[21](見(jiàn)表3)，不同類(lèi)型滑溜水壓裂液的生物毒性檢測(cè)結(jié)果如表4所示。

表3 生物毒性等級(jí)分類(lèi)

表4 不同類(lèi)型滑溜水壓裂液的生物毒性分級(jí)檢測(cè)結(jié)果

由表4可以看出，1#～4#配方都有毒，會(huì)造成環(huán)境污染；5#和6#都無(wú)毒，EC50值與自來(lái)水相當(dāng)(自來(lái)水的EC50值為1×106mg/L)，有利于環(huán)境保護(hù)。

3 試驗(yàn)分析

頁(yè)巖儲(chǔ)層是裂縫型儲(chǔ)層，裂縫既是儲(chǔ)集空間又是滲流通道，具有低滲低孔、以納米級(jí)孔隙為主等特點(diǎn)，極易受到傷害。此外，研究發(fā)現(xiàn)減阻劑的分子量越高，則減阻效果越好。1#～4#配方之所以會(huì)造成嚴(yán)重的儲(chǔ)層傷害，可能是由于為了提高其減阻性能而將減阻劑的分子量做得很高，且分子的粒徑較大，因而引發(fā)儲(chǔ)層堵塞等問(wèn)題；而5#和6#配方減阻效果與1#～4#配方相當(dāng)，但由于選用了納米復(fù)合材料，分子量較小且粒徑小，所以對(duì)儲(chǔ)層幾乎不會(huì)造成傷害。

從生物毒性試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，粉末減阻劑和油基乳液減阻劑EC50值很低，這2種壓裂液體系會(huì)對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重的傷害，在3類(lèi)減阻劑的減阻效果相當(dāng)?shù)那闆r下，納米復(fù)合類(lèi)減阻劑的EC50值高，綠色環(huán)保?；诃h(huán)境保護(hù)的理念，選擇合適的滑溜水壓裂液顯得異常重要，根據(jù)試驗(yàn)研究結(jié)果，建議優(yōu)先使用納米復(fù)合類(lèi)減阻劑配置滑溜水壓裂液體系。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)上述研究結(jié)果可以看出，雖然粉末類(lèi)和油基乳液類(lèi)減阻劑配制的滑溜水壓裂液的減阻率較高，但是粉末類(lèi)減阻劑的滲透率恢復(fù)值僅為5.7%～19.5%，EC50值為1120 ～1180mg/L(微毒、微毒)，油基乳液類(lèi)減阻劑的滲透率恢復(fù)值僅為1.4%～3.4%，EC50值為71.25 ～2180 mg/L(重毒、微毒)，會(huì)造成嚴(yán)重的儲(chǔ)層傷害和環(huán)境污染；而由納米復(fù)合材料減阻劑配制的滑溜水壓裂液雖然減阻率與前2種相當(dāng)，但是滲透率恢復(fù)值高達(dá)95%～98.6%，EC50值高達(dá)1×106～1.89×106mg/L(無(wú)毒)，具有環(huán)境保護(hù)和儲(chǔ)層保護(hù)的雙重效果。綜合考慮，由納米復(fù)合材料配制的滑溜水壓裂液更適用于頁(yè)巖氣的開(kāi)采，有助于解決我國(guó)頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)過(guò)程中的水資源污染等環(huán)境問(wèn)題，同時(shí)也會(huì)大幅減少儲(chǔ)層傷害引起的產(chǎn)能降低等問(wèn)題。

[1]楊春鵬，陳惠，雷亨，等.頁(yè)巖氣壓裂液及其壓裂技術(shù)的研究進(jìn)展[J].工業(yè)技術(shù)創(chuàng)新，2014,1(4)：492～497.

[2]曾少軍,楊來(lái),曾凱超,等.國(guó)頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀、問(wèn)題及對(duì)策[J].中國(guó)人口資源與環(huán)境，2013,23(3):33～38.

[3]李元靈，楊甘生，朱朝發(fā)，等，頁(yè)巖氣開(kāi)采壓裂液技術(shù)進(jìn)展[J].礦探工程-巖土鉆掘工程，2014,41(10):13～16.

[4]石曉閃,劉大安,崔振東，等.頁(yè)巖氣開(kāi)采壓裂技術(shù)分析與思考水[J].天然氣勘探與開(kāi)發(fā)，2015,38(3)：62～69.

[5]程興生,盧擁軍,管保山,等.中石油壓裂液技術(shù)現(xiàn)狀與未來(lái)發(fā)展[J].石油鉆采工藝，2014,36(1)：1～5.

[6]唐穎,唐玄,王廣源,等.頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)水力壓裂技術(shù)綜述[J].地質(zhì)通報(bào)，2011,30(2～3)：394～399.

[7]董大忠,鄒才能,楊樺,等.中國(guó)頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)進(jìn)展與發(fā)展前景[J].石油學(xué)報(bào)，2012,33(S.1)：109～114.

[8]梁文利,趙 林,辛素云,等.壓裂液技術(shù)研究新進(jìn)展[J].斷塊油氣田，2009,16(1):95～117.

[9]Rozell D J, Reaven S J. Water pollution risk associated with natural gas extraction from the Marcellus shale [J]. Risk Analysis, 2012, 32(8): 1382～1393.

[10]譚茜，宋忠福，張代均，等.頁(yè)巖氣開(kāi)發(fā)水力壓裂活動(dòng)的環(huán)境監(jiān)管對(duì)策[J].環(huán)境影響評(píng)價(jià)，2015，37(6)：68～73.

[11]Bahrami H,Rezaee R,Ostojic J, et al. Evaluation of damagemechanisms and skin factor in tight gas reservoirs[J]. SPE 142284, 2011.

[12]高建國(guó).壓裂液對(duì)低滲儲(chǔ)層人工裂縫傷害評(píng)價(jià)及影響因素實(shí)驗(yàn)研究——以M儲(chǔ)層為例[D].西安：西安石油大學(xué)，2015.

[13]莊照鋒，張士誠(chéng)，李宗田，等.壓裂液傷害程度表示方法探討[J].油氣地質(zhì)與采收率，2010，17(5)：108～110.

[14]Siddiqui M A, Nasr-EI-Din H A. Evaluation of special enzymes as ameans to remove formation damage induced by drill-in fluids inhorizontal gas wells in tight reservoirs[J]. SPE 81455, 2003.

[15]Bazin B, Bekri S, Vizika O, et al. Fracturing in tight gas reservoirs: Application of special-core-analysis methods to investigate formation damage mechanisms[J]. SPE 112460, 2008.

[16]SY/T 5336-2006，巖心分析方法[S].

[17]SY/T 6540-2002，鉆井液完井液損害油層室內(nèi)評(píng)價(jià)方法[S].

[18]朱文杰，徐亞同，張秋卓，等.發(fā)光細(xì)菌法在環(huán)境污染物監(jiān)測(cè)中的進(jìn)展與應(yīng)用[J].凈水技術(shù)，2010，29(4)：54～59.

[19]岳舜琳.用發(fā)光細(xì)菌監(jiān)測(cè)水質(zhì)突發(fā)性污染[J].凈水技術(shù)，2008，27(1)：65～68.

[20]Plata M R, Contento A M. Development of a novel biotoxicity screening assay for analytical use[J]. Chemosphere, 2009，76(7): 959～966.

[21]Q/SY 111-2007，油田化學(xué)劑、鉆井液生物毒性分級(jí)及檢測(cè)方法發(fā)光細(xì)菌法[S].